© Сибирский федеральный университет, 2006-2023
Сделано
© Сибирский федеральный университет, 2006-2023
Сделано
3 января 2025 г. | наука
Сосна кедровая сибирская, известная как кедр сибирский, занимает обширный ареал. Растёт на северо-востоке европейской части России, Урале, в Сибири, на Алтае, а также на сравнительно небольших площадях в Северной Монголии и в Восточном Казахстане.
Эта сосна способна «подниматься» в горы до верхней границы леса, например, на Алтае и в Саянах он растёт на высоте 2400 м. А вот максимальных размеров дерево достигает в низкогорных районах Алтая и Западного Саяна.
Кедр пользуется особым признанием у народов России. Его древесина традиционно используется в строительстве, для производства мебели и музыкальных инструментов, а семена (кедровые орешки) зарекомендовали себя как ценный продукт, богатый растительным белком, витаминами В и Е, железом, фосфором, цинком, магнием, медью и особенно марганцем. Они отличаются высоким содержанием полиненасыщенных жирных кислот и ценных аминокислот (в том числе, триптофана).
Чтобы оценить адаптивный генетический потенциал сосны кедровой, учёные провели совместный анализ дендрохронологических и геномных данных популяций, растущих в Западных Саянах.
«В ходе исследования мы секвенировали («прочитали») участки геномов нескольких сотен деревьев, растущих в суровых условиях Западного Саяна, и сопоставили полученные данные с информацией о динамике прироста годичных колец этих деревьев. Растущие в одних условиях деревья могут по-разному реагировать на стресс (засуху, вспышки численности насекомых-вредителей), и это отражается в величине прироста годичных колец: у одних деревьев уменьшение прироста за период засушливого лета будет существеннее, чем у других. Это может говорить о лучшей приспособленности данного конкретного дерева к дефициту влаги».
Серафима Новикова,
cоавтор исследования, инженер-исследователь лаборатории лесной геномики СФУ, младший научный сотрудник ФИЦ КНЦ СО РАН
По её словам, современные методы дендрогеномики позволяют обнаружить генетические механизмы, лежащие в основе такой приспособленности, с помощью поиска ассоциаций между генетическим профилем дерева и его дендрохронологическими показателями.
Учёные проанализировали изменчивость 85 тысяч генетических маркеров (однонуклеотидных полиморфизмов), полученных методом полногеномного генотипирования (ddRADseq), и 110 индивидуальных фенотипических признаков, измеренных и рассчитанных для каждого дерева. Основным признаком, по которому определяли разные фенотипы, была динамика ширины годичных колец. Этот показатель измерили у 234 отдельных деревьев в шести природных популяциях сосны кедровой сибирской. Изученные деревья имели «опыт» экстремальных климатических стрессов и вспышек численности насекомых, сильно повреждающих крону дерева (например, соснового пилильщика).
«В результате исследования мы подтвердили, что генетическая структура популяций сосны кедровой, растущей на юге Красноярского края и Республики Хакасия, выражена относительно слабо. Фактически, все использованные в работе образцы принадлежат к генетически схожим популяциям. Также мы обнаружили взаимосвязь уровня гетерозиготности дерева с несколькими дендрофенотипами. В большинстве случаев у деревьев с высокой индивидуальной гетерозиготностью наблюдалась повышенная устойчивость к стрессовым факторам (так называемый гетерозис). Но также у изученных деревьев были обнаружены признаки гомеостаза (поддержания генетического постоянства)».
Наталья Орешкова,
доцент кафедры геномики и биоинформатики СФУ, завлабораторией геномных исследований и биотехнологии ФИЦ КНЦ СО РАН
В результате применения трёх различных моделей полногеномного поиска ассоциаций, исследователи отобрали 61 генетический маркер, чья изменчивость связана с изменчивостью индексов устойчивости растений. Индекс устойчивости рассчитывался на основании динамики годового прироста древесины в разные периоды засухи.
«Были изучены участки генома кедра, которые содержат эти маркеры. Мы обнаружили, что большинство однонуклеотидных полиморфизмов с предположительно адаптивной изменчивостью были расположены в межгенных областях. Три дендрофенотип-ассоциированных маркера были расположены поблизости, и один непосредственно в интроне генов, кодирующих белки, которые играют решающую роль в обеспечении точности передачи генетической информации растения, особенно в условиях экологического стресса, который может вызывать повреждение ДНК».
Серафима Новикова
Должность
Дендрогеномика, чьи методы использовали учёные СФУ и их коллеги из красноярских научно-исследовательских институтов, считается одним из эффективных современных подходов к изучению генетических механизмов адаптации лесных популяций. Это новый междисциплинарный подход, позволяющий проводить совместный анализ дендрохронологических, дендроклиматологических и геномных данных. Авторы этого исследования являются пионерами и ведущими учёными в этой области исследований, которые открывают новые возможности для изучения временной динамики лесных границ, определения пространственно-временной структуры популяций, расшифровки индивидуальных реакций деревьев на различные стрессы, а также оценки адаптивного генетического потенциала лесных популяций.
«Безусловно, полученных нами геномных данных может быть недостаточно для раскрытия всех генов и генетических механизмов, которые отвечают за адаптацию к экстремальным климатическим условиям. Однако на основании этих результатов можно предположить, что сосна кедровая сибирская имеет относительно высокую адаптивную генетическую изменчивость и потенциал в исследуемой области. Она, по-видимому, хорошо адаптирована к абиотическим (связанным с элементами неживой природы) стрессам, в том числе к засухам. Однако отрицательные тенденции роста, наблюдаемые в последние десятилетия в низковысотных насаждениях Западного Саяна, могут быть признаком начинающегося негативного влияния со стороны глобально теплеющего климата на нижние опушки кедровых лесов. В высокогорьях тенденции положительные (потепление способствует распространению и росту сосны кедровой сибирской), а вот ниже по склону ситуация менее ясна, там может проявиться негативное влияние засух».
Константин Крутовский,
руководитель исследования, заведующий лабораторией лесной геномики, профессор кафедры геномики и биоинформатики СФУ, профессор Гёттингенского университета
Он отметил, что результаты данного исследования могут использоваться в качестве генетических маркеров для селекции саженцев кедра на устойчивость к стрессу, а также для мониторинга адаптивной генетической изменчивости в других популяциях сосны кедровой сибирской. Представленный подход является новым, впервые использован для этого вида дерева и может служить научной основой для оптимизации природопользования, разработки методов рационального использования изучаемого вида, выявления популяций с хорошим генетическим потенциалом и проведения экологического мониторинга.
Сообщается, что зарубежные научные коллективы начали проводить подобные работы для пихты европейской, ели белой, лиственницы Гмелина и нескольких других хвойных видов. На территории России такие исследования были проведены впервые учёными СФУ и ФИЦ КНЦ СО РАН для лиственницы сибирской в 2019-2021 годах. В настоящее время подобное исследование сосны обыкновенной и дуба черешчатого проводится совместно с учёными Воронежского государственного лесотехнического университета имени Г. Ф. Морозова при поддержке гранта РНФ № 24-16-20047.
